Основные понятия языка программирования C#

Перейдем к более подробному описанию основных типов, входящих в состав Common Type System (CTS) Microsoft .NET. При этом прикладное исследование языков программирования произведем в форме сопоставления отображений фрагментов систем типизации языков программирования SML и C# в систему типов CTS.

Для большей наглядности сопоставления сведем отображения в таблицу на табл. 15.3.

Даже из предварительного анализа таблицы видно, что система типизации языка программирования С# значительно богаче по сравнению с языком программирования SML. Можно заметить, что всякому типу языка программирования SML соответствует некоторый тип языка программирования С#, и их названия зачастую совпадают или бывают схожими.

Наконец, отметим, что все без исключения типы обоих языков программирования однозначно отображаются в систему типизации Microsoft .NET, верхним иерархическим элементом которой является пространство имен System.

Кроме понятия переменной, которое уже рассматривалось ранее в связи с типами-значениями и ссылочными типами, интересно провести исследование объектов-констант в языке программирования C#.

Напомним, что константные объекты в комбинаторной логике можно моделировать посредством комбинатора-канцелятора К с характеристикой Kxy = x.

Рассмотрим ряд примеров описания констант посредством оператора перечисления (заметим, что применяемый в C# способ описания констант изначально ориентирован на написание безопасного кода, поскольку содержит обязательную инициализацию ).

Оператор перечисления enum языка C# представляет собой список поименованных констант . Описание производится непосредственно в пространстве имен с областью видимости, которую необходимо обеспечить для константы:

enum Color {red, blue, green} 
enum Access {personal=1, group=2, all=4}
enum Access1 : byte {personal=1, 
	group=2, all=4}

Пример использования константы после ее описания имеет следующий вид:

Color c = Color.blue;

Заметим, что для перечислимых констант должно быть указано полное имя:

Access a = Access.personal | Access.group;
if((Access.personal  a) != 0)
	Console.WriteLine("access granted");

Подобно языку программирования SML в языке C# реализована возможность определения типа для того или иного языкового объекта. Для реализации такой возможности используется оператор typeof, который для любого заданного типа возвращает дескриптор этого типа .

Заметим, что дескриптор типа для объекта o возвращается операцией o.GetType(). Рассмотрим пример, иллюстрирующий использование оператора typeof:

Type t = typeof(int);
Console.WriteLine(t.Name);

При выполнении данного примера тип рассматриваемого выражения будет определен системой как Int32, что вполне соответствует данным из сравнительной таблицы отображения типов языковых объектов C# и SML в систему типизации CTS Microsoft .NET.

Еще одной практически важной конструкцией C#, оперирующей типами, является оператор sizeof, который возвращает размер элемента данного типа (в байтах). Данный оператор применим только к типам-значениям и используется лишь в блоках небезопасного кода (т.к. размер структур может изменяться в зависимости от среды реализации); необходима компиляция кода командой

csc /unsafe xxx.cs.

Приведем пример использования оператора sizeof (заметим, что блоки небезопасного C#-кода выделяются посредством ключевого слова unsafe ):

unsafe {
	Console.WriteLine(
		sizeof(int));
	Console.WriteLine(
		sizeof(MyEnumType));
	Console.WriteLine(
		sizeof(MyStructType)); 
}

Одним из важнейших видов основных объектов языка программирования C# являются структуры (аналоги структур имеются и в языке SML; в языках функционального программирования с примитивной системой типизации аналогами структур могут служить списки ).

Рассмотрим пример описания структуры Point, моделирующей точку на плоскости:

struct Point {
	public int x, y; 
	public Point (int x, int y) {
		this.x = x;
		this.y = y;
	}
	public void MoveTo (int a,int b) {
		x=a;
		y=b;
	}
}

Заметим, что координаты точки x, y (в простейшем случае целочисленные), которые используются для определения ее положения, являются атрибутами объекта или полями структуры.

Операция Point является функцией инициализации объекта и называется конструктором. Обратите внимание, что унаследованный от C++ указатель this представляет собой ссылку на текущий объект.

Наконец, операция (или, иначе, метод ) MoveTo изменяет текущее местоположение точки на пару целочисленных координат (a,b).

Для использования объекта-структуры необходимо проинициализировать объект-значение в стеке посредством конструктора. Затем можно вызвать метод MoveTo:

Point p = new Point(3, 4);
p.MoveTo(10, 20);

Мы познакомились с одним из основных видов объектов языка программирования C#, а именно, со структурами.

В предыдущем примере фрагмента программы на C# дважды фигурировал идентификатор Point. В связи с этим уместно вспомнить о проблеме коллизий переменных и возможных путях ее преодоления (в предыдущей части курса для решения этой задачи использовался формализм, известный под названием чисел де Брейна). В языке программирования SML переменные могут быть описаны либо глобально (это описание распространяется на весь текст программы), либо локально в теле функции (это описание распространяется на весь текст функции).

В языке программирования C#, где объекты имеют существенно более сложную структуру, вводится понятие области описания, под которой понимают фрагмент программы, к которому относится данное описание.

Объекты языка программирования C# могут быть описаны:

При этом принимаются следующие контекстные соглашения.

Во-первых, недопустимо двукратное описание в пределах данной области описания. Во-вторых, последовательность описаний является произвольной. Исключение составляют локальные переменные, которые необходимо описать до первого использования.

Кроме того, принимаются следующие соглашения об областях видимости.

Во-первых, любой идентификатор виден лишь из своей области описания. Во-вторых, область видимости можно изменить посредством модификаторов ( private, protected ).

В процессе изучения структуры программы на языке C# неоднократно употреблялся термин "пространство имен". В силу существования более значимых понятий объектно-ориентированного подхода к программированию в целом и языка программирования C# в частности, приводилось лишь общее описание данного термина. Рассмотрим пространства имен языка программирования C# более подробно.

Рассмотрим два файла X.cs и Y.cs, содержащих исходные тексты программ на языке C#.

Содержание файла X.cs:

namespace A {
class C ...
interface I...
	... struct S...
	... enum e ...
	... delegate d ...
	namespace B {
	// полное имя: A.B	
	...
	}
}

Содержание файла Y.cs:

namespace A {
...
	namespace B {
	...
	}
	namespace C {
	...
	}
}

Заметим, что в файле X.cs содержатся описания пространств имен A и B, а в файле Y.cs – A, B и C, причем в обоих случаях последующие пространства имен вложены в A. При обращении к вложенному пространству имен нужно указывать его полное имя, например A.B.

Необходимо отметить, что пространства имен из разных файлов, имеющие один и тот же идентификатор, составляют единую область описания. Заметим также, что вложенные пространства имен составляют собственную (отдельную) область описания.

Несмотря на то, что язык программирования C# реализует объектно-ориентированный подход к программированию, целый ряд характерных особенностей унаследован им еще от ранних процедурных прародителей, прежде всего, языка C.

Одной из черт, унаследованных C# от языка программирования C, является блок операторов – последовательность операторов, разделенных символами " ; ", ограниченная фигурными скобками " { " и " } ".

Аналогом оператора блока в языках функционального программирования является функция.

В языке программирования С# выделяют различные виды блоков, которые можно проиллюстрировать следующим примером:

void foo (int x) {
// блок методов
	... локальные переменные ...
		{ // вложенный блок
		 ... локальные 
			переменные ...
		}
	for (int i = 0; ...) {
		// блок структурированных 
		// операторов
		 ... локальные 
			переменные ...
	}
}

Как видно из примера, блоки объединяют (структурированные) операторы и методы. Допускается использование блоков, вложенных один в другой. Для удобочитаемости текста программы глубину вложенности блока лучше визуализировать посредством табуляции.

Рассмотрим подробнее особенности описания локальных переменных в языке программирования C# на следующем примере программы:

void foo(int a) {
	int b;
	if (...) {
		int b;
	// ошибка: переменная b уже 
	// описана в другом блоке
		int c;
	// пока описание корректно, 
	// однако ...
		int d;
		...
	} 
	else {
		int a;
	// ошибка: переменная а уже 
	// описана во внешнем блоке
		int d;
	// конфликтов с переменной d 
	// из предыдущего блока нет
	}
	for (int i=0;...){
	...
	}
	for (int i=0;...){
	...
	}
	// фрагмент корректен: нет 
	// конфликтов с переменной
	// i из предыдущего 
	// цикла
	int c;
	// ошибка: c уже описана в 
	// данном пространстве имен
}

Рассмотрим функцию foo с одним целочисленным аргументом a, которая не возвращает значения.

Как видно из данного примера, коллизии описаний переменных возникают в случаях множественного описания внутри одного и того же блока или пространства имен.

Заметим попутно, что условный оператор if...else языка C# весьма схож с подобным оператором языка SML, а оператор for является оператором цикла.

Рассмотрим более сложный пример использования пространств имен в языке программирования C#.

Пусть программный проект на языке программирования C# содержит три файла с описаниями структур данных, оформленными в виде отдельных пространств имен:

Color.cs
	namespace Util {
		public enum Color {
		...
		}
	}

Figures.cs
	namespace Util.Figures {
		public class Rect {
		...
		}
		public class Circle {
		...
		}
	}

Triangle.cs
	namespace Util.Figures {
		public class Triangle {
		...
		}
	}

В данном случае при использовании полного имени пространства имен ( Util.Figures ) возможно обойтись без конкретизации классов ( Rect ), описанных внутри этого пространства имен. Однако в случае обращения к классам вне данного пространства имен необходимо использовать полное квалификационное имя объекта ( Util.Color ):

using Util.Figures;
	class Test {
		Rect r;
		// без указания полного 
		// имени т.к. используем
		// (Util.Figures)
		Triangle t;
		Util.Color c;
		// c указанием 
		// полного имени 
	}

Проанализировав основные особенности языка программирования C#, а также исследовав структуру и принципы построения программ на этом языке, обозначим наиболее очевидные преимущества изучаемого языка программирования.

Прежде всего, необходимо отметить, что язык программирования C# претендует на подлинную объектную ориентированность (а всякая языковая сущность претендует на то, чтобы быть объектом).

Кроме того, язык программирования C# призван практически реализовать компонентно-ориентированный подход к программированию, который способствует меньшей машинно-архитектурной зависимости результирующего программного кода, большей гибкости, переносимости и легкости повторного использования (фрагментов) программ.

Принципиально важным отличием от предшественников является изначальная ориентация на безопасность кода (что особенно заметно в сравнении с языками C и C++).

Унифицированная, максимально близкая по масштабу и гибкости к Common Type System, принятой в Microsoft .NET, система типизации является важным преимуществом языка C#.

Расширенная поддержка событийно-ориентированного программирования выгодно отличает язык программирования C# от целого ряда предшественников.

Язык программирования C# является "родным" для создания приложений в среде Microsoft .NET, поскольку наиболее тесно и эффективно интегрирован с ней.

Объединение лучших идей современных языков программирования (Java, C++, Visual Basic и др.) делает язык C# не просто суммой их достоинств, а языком программирования нового поколения.

Несмотря на значительное количество принципиальных преимуществ по сравнению с существующими аналогами, язык программирования C# не лишен и отдельных недостатков, которые, весьма вероятно, носят субъективный, локальный, временный характер.

Прежде всего, необходимо отметить то обстоятельство, что язык программирования C# имеет довольно сложный синтаксис (можно утверждать, что примерно 75% его синтаксических возможностей аналогичны языку программирования Java, 10% подобны языку программирования C++, а 5% – заимствованы из языка программирования Visual Basic). Объем действительно свежих концептуальных идей в языке C# относительно невысок (по мнению некоторых исследователей, он, составляет около 10% от общего объема конструкций языка).

Утверждение, что язык программирования C# является чисто объектным, допускает неоднозначную интерпретацию. Так, например, профессор K. Гуткнехт (K.Gutknecht) из института ETH (г. Цюрих, Швейцария) предложил альтернативную (так называемую "активную") объектную модель для разработанного им языка программирования Zonnon.

На сегодня компилятор и среда разработки программного обеспечения, поддерживающие язык C#, обладают относительно невысокой производительностью (т.е. код программы на языке C# компилируется и выполняется примерно в 100 раз медленнее, чем тот же код на языке C). Справедливости ради нужно отметить, что производительность программ на C# вполне сравнима с тем же показателем для языка Java.

Пока программы, написанные на языке C#, не могут функционировать под управлением альтернативных операционных систем (ведутся работы по обеспечению совместимости с операционными системами Linux и FreeBSD семейства UNIX).

Для более подробного самостоятельного ознакомления с тематикой лекции рекомендуется следующий список источников: [ 23, 38, 53, 63, 77].